It is debatable whether AMP-activated protein kinase (AMPK) activation is involved in anti-apoptotic or pro-apoptotic signaling. AICAR treatment increases AMPK-${\alpha}1$ phosphorylation, decreases intracellular reactive oxygen species (ROS) levels, and significantly increases Annexin V-positive cells, DNA laddering, and caspase activity in human myeloid cell. AMPK activation is therefore implicated in apoptosis. However, AMPK-${\alpha}1$-knockdown THP-1 cells are more sensitive to apoptosis than control THP-1 cells are, suggesting that the apoptosis is AMPK-independent. Low doses of AICAR induce cell proliferation, whereas high doses of AICAR suppress cell proliferation. Moreover, these effects are significantly correlated with the downregulation of intracellular ROS, strongly suggesting that AICAR-induced apoptosis is critically associated with the inhibition of NADPH oxidase by AICAR. Collectively, our results demonstrate that in AICAR-induced apoptosis, intracellular ROS levels are far more relevant than AMPK activation.
Lee, Yu Sung;Kim, Hong Jae;Jeong, Jin-Woo;Han, Min-Ho;Hong, Su Hyun;Choi, Yung Hyun;Park, Cheol
Journal of Life Science
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v.28
no.4
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pp.435-443
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2018
AMP-activated protein kinase (AMPK) functions as a metabolic master through regulating and restoring cellular energy balance. In skeletal muscle, AMPK increases myofibril protein degradation through the expression of muscle-specific ubiquitin ligases. Mori Folium, the leaf of Morus alba, is a traditional medicinal herb with various pharmacological functions; however, the effects associated with muscle atrophy have not been fully identified. In this study, we confirmed the effects of AMPK activation by examining the effects of 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide (AICAR), an activator of AMPK, on the induction of atrophy and expression of atrophy-related genes in C2C12 myotubes. We also investigated the effects of the ethanol extract of Mori Folium (EEMF) on the recovery of AICAR-induced muscle atrophy in C2C12 myotubes. It was found that exposure to AICAR resulted in the stimulation of Forkhead box O3a (FOXO3a); an up-regulation of muscle-specific ubiquitin ligases such as Muscle Atrophy F-box (MAFbx)/atrogin-1 and muscle RING finger-1 (MuRF1), and a down-regulation of muscle-specific transcription factors, such as MyoD and myogenin; with the activation of AMPK. In addition, AICAR without cytotoxicity indicated a decrease in diameter of C2C12 myotubes. However, treatment with EEMF significantly suppressed AICAR-induced muscle atrophy of C2C12 myotubes in a dose-dependent manner as confirmed by a decrease in myotube diameter, which is associated with a reversed stimulation of FOXO3a by the inhibition of AMPK activation. These results indicate that the activation of AMPK by AICAR induces muscle atrophy, and EEMF has preeminent effects on the inhibition of AICAR-induced muscle atrophy through the AMPK signaling pathway.
5-Aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide (AICAR), a structural analog of adenosine monophosphate (AMP), promotes oxidative remodeling in muscle cells. AICAR activates AMP-dependent protein kinase (AMPK), thus increasing lipid metabolism, respiration, and mitochondrial counts. This process is called oxidative remodeling, which enhances the physical endurance of mice. To test this drug on an invertebrate that is genetically similar to humans, we used the small water crustacean Daphnia magna, which is sensitive to changes in water conditions. We tested the effects of pH on the efficacy of AICAR using two methods. One method measured oxygen consumption of Daphnia in oxygen chambers. The other method determined lipid levels of Daphnia through fluorescent tagging of lipids. The results showed that when exposed to AICAR at pH 6.58, D. magna consumed more oxygen and had lower overall levels of lipids, which is consistent with the expected effects of AICAR, such as increased respiration and lipid metabolism.
Park, Chang-Seok;Kim, Jae-Hwan;Oh, Young-Kyoon;Kim, Kyoung-Hoon;Choi, Chang-Weon;Cho, Eun-Seok;Jeong, Yong-Dae;Park, Sung-Kwon
Journal of Animal Science and Technology
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v.54
no.5
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pp.369-373
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2012
AMP-activated protein kinase (AMPK) maintains energy homeostasis in skeletal muscle. Nonetheless, its functional role on protein synthesis with different nutrient availability has not been elucidated. Therefore, the purpose of this study is to examine the effect of AMPK activity on protein content in C2C12 myotubes incubated with low (5 mM; LG) or high (25 mM; HG) glucose media. LG stimulated (p<0.05) AMPK and acetyl CoA carboxylase (ACC) activity compare to those in HG group. Total protein content was higher in myotubes cultured with HG than in those cultured with LG and further increased by AICAR (5-amino-1-${\beta}$-D-ribofuranosyl-imidazole-4-carboxamide). Myotubes cultured with HG showed 7.5% lower UbFL (Ubiquitin Firefly Luciferase)-to-SV40 (Simian virus40) ratio compared to those in LG. Glucose level did not change the phosphorylation level of mammalian target of rapamycin (mTOR). Interestingly, administration of AICAR significantly increased phosphorylation level of mTOR in myotubes cultured with LG but not in those with HG. Overall, this data indicate that AMPK activity and protein turnover are finely regulated in response to different glucose concentration.
Muscle atrophy, known as a sarcopenia, is defined as a loss of muscle mass resulting from a reduction in the muscle fiber area or density due to a decrease in muscle protein synthesis and an increase in protein breakdown. Schisandrae fructus (SF) extract of the fruits of Schisandra chinensis (Turcz) Baillon has been used as a tonic in traditional medicine for thousands of years. Although a great deal of work has been carried out on the therapeutic potential of SF, its pharmacological mechanisms of action in muscle diseases actions remain unclear. In the present study, we investigated the inhibitory effects of SF ethanol extracts on the production of muscle atrophy factors in C2C12 myotubes stimulated with 5-aminoimidazole-4-carboxamide-ribonucleotide (AICAR), an AMP-activated kinase (AMPK) activator, and sought to determine the underlying mechanisms of action. AICAR upregulated atrophy-related ubiquitin ligase muscle RING finger-1 (MuRF-1) and stimulated the levels of the forkhead box O3a (FoxO3a) transcription factor in the C2C12 myotubes. SF supplementation effectively and concentration- dependently counteracted AICAR-induced muscle cell atrophy and reversed the increased expression of MuRF-1 and FoxO3a. Our study demonstrates that SF can reverse the muscle cell atrophy caused by AICAR through regulation of the AMPK and FoxO3a signaling pathways, followed by inhibition of MuRF-1.
Jo, Kyungae;Jang, Woo Young;Yun, Beom Sik;Kim, Jin Soo;Lee, Hyun-Sun;Chang, Yeok Boo;Suh, Hyung Joo
Food Science of Animal Resources
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v.41
no.4
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pp.623-635
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2021
The effect of deer antler extract on muscle differentiation and muscle atrophy were evaluated to minimize muscle loss following aging. Various deer antler extracts (HWE, hot water extract of deer antler; FE, HWE of fermented deer antler; ET, enzyme-assisted extract of deer antler; UE, extract prepared by ultrasonication of deer antler) were evaluated for their effect on muscle differentiation and inhibition of 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside (AICAR)-induced muscle atrophy in C2C12 cells. Morphological changes according to the effect of antler extracts on muscle differentiation were confirmed by Jenner-Giemsa staining. In addition, the expression levels of genes related to muscle differentiation and atrophy were confirmed through qRT-PCR. In the presence of antler extracts, the length and thickness of myotubes and myogenin differentiation 1 (MyoD1) and myogenic factor 5 (Myf5) gene expression were increased compared to those in the control group (CON). Gene expression of AMP-activated protein kinase (AMPK), MyoD1, and myogenin, along with the muscle atrophy factors muscle RING finger-1 (MuRF-1) and forkhead box O3a (FoxO3a) upon addition of deer antler extracts to muscle-atrophied C2C12 cells was determined by qRT-PCR after treatment with AICAR. The expression of MuRF-1 and FoxO3a decreased in the groups treated with antler extracts compared to that in the group treated with AICAR alone. In addition, gene expression of MyoD1 and myogenin in the muscle atrophy cell model was significantly increased compared that into the CON. Therefore, our findings indicate that antler extract can increase the expression of MyoD1, Myf5 and myogenin, inhibit muscle atrophy, and promote muscle differentiation.
Increased oxidative stress by abnormal mitochondrial function can damage cell signal transduction and gene expression, and induce insulin resistance or diabetes. Autophagy, however, improve insulin resistance by clearance of malfunctioning mitochondria. Exercise also recovers the muscle dysfunction and degeneration by activating mitochondrial biogenesis. As it seems that exercise and autophagy might act as an orchestrated network to induce mitochondrial biogenesis, we investigated whether autophagy is involved in AMPK signal pathway stimulated by exercise or AICAR to increase mitochondrial biogenesis. And it showed that PGC-1 and mtTFA, but not autophagy marker LC3 mRNA expression were significantly increased by 6 hr of acute exercise. On the other hand, PGC-1 and mtTFA mRNA expression were upregulated by AICAR treatment to C2C12 myotube. However these genes were not inhibited by LC3 siRNA transfection. These results provide the evidence that autopahgy affects on mitochondrial biogenesis through different signal pathway from AMPK signal transduction.
Li, Qiong;Li, Zhongwen;Lou, Aihua;Wang, Zhenyu;Zhang, Dequan;Shen, Qingwu W.
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.30
no.6
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pp.857-864
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2017
Objective: The purpose of this study was to investigate the influence of AMP-activated protein kinase (AMPK) activation on protein acetylation and glycolysis in postmortem muscle to better understand the mechanism by which AMPK regulates postmortem glycolysis and meat quality. Methods: A total of 32 mice were randomly assigned to four groups and intraperitoneally injected with 5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-${\beta}$-D-ribofuranoside (AICAR, a specific activator of AMPK), AICAR and histone acetyltransferase inhibitor II, or AICAR, Trichostatin A (TSA, an inhibitor of histone deacetylase I and II) and Nicotinamide (NAM, an inhibitor of the Sirt family deacetylases). After mice were euthanized, the Longissimus dorsi muscle was collected at 0 h, 45 min, and 24 h postmortem. AMPK activity, protein acetylation and glycolysis in postmortem muscle were measured. Results: Activation of AMPK by AICAR significantly increased glycolysis in postmortem muscle. At the same time, it increased the total acetylated proteins in muscle 45 min postmortem. Inhibition of protein acetylation by histone acetyltransferase inhibitors reduced AMPK activation induced increase in the total acetylated proteins and glycolytic rate in muscle early postmortem, while histone deacetylase inhibitors further promoted protein acetylation and glycolysis. Several bands of proteins were detected to be differentially acetylated in muscle with different glycolytic rates. Conclusion: Protein acetylation plays an important regulatory role in postmortem glycolysis. As AMPK mediates the effects of pre-slaughter stress on postmortem glycolysis, protein acetylation is likely a mechanism by which antemortem stress influenced postmortem metabolism and meat quality though the exact mechanism is to be elucidated.
Metformin is a drug used to lower blood sugar levels in patients with type 2 diabetes via activation of adenosine monophosphate (AMP)-activated protein kinase (AMPK). The primary objective of this study was to investigate whether metformin at the pharmacologically effective concentrations affects the expressions of ${\gamma}$-glutamylcysteine synthetase and phase II antioxidant genes in the H4IIE cell. Treatment of the cells with either metformin or 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (AICAR) abrogated tert-butylhydroxyquinone (t-BHQ) induction of ${\gamma}$-glutamylcysteine synthetase, a rate limiting enzyme of GSH synthesis. The ability of t-BHQ to induce glutathione S-transferases (GSTs), a major class of phase II detoxifying enzymes that playa critical role in protecting cells from oxidative stress or electrophiles, was also inhibited by the agents. Transcriptional gene repression by metformin was verified by the GSTA2 promoter luciferase assay. Moreover, either metformin or AICAR treatment significantly decreased t-BHQ-dependent induction of other GSTs (i.e., $GST{\mu}$ and $GST{\pi}$ forms). Taken together, our data indicate that metformin treatment may result in the repression of ${\gamma}$-glutamylcysteine synthetase and glutathione S-transferase genes possibly via AMPK activation.
Kwak, Seong Eun;Shin, Hyung Eun;Zhang, Di Di;Lee, Jihyun;Yoon, Kyung Jin;Bae, Jun Hyun;Moon, Hyo Youl;Song, Wook
Korean Journal of Exercise Nutrition
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v.23
no.2
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pp.28-33
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2019
[Purpose] Recent studies have shown that glucose-6-phosphate isomerase (GPI)-which is a glycolysis interconversion enzyme-reduces oxidative stress. However, these studies are limited to tumors such as fibrosarcoma, and there are no studies that have examined the effects of exercise on GPI expression in mice skeletal muscle. Furthermore, GPI acts in an autocrine manner thorough its receptor, autocrine motility factor receptor (AMFR); therefore, we investigated expression level changes of secreted GPI from skeletal muscle in in vitro study to examine the potential role of GPI on skeletal muscle. [Methods] First, we performed an in vitro study, to identify the condition that upregulates GPI levels in skeletal muscle cells; we treated C2C12 muscle cells with an exercise-mimicking chemical, AICAR. AICAR treatment upregulated GPI expression level in C2C12 cell and its secretomes. To confirm the direct effect of GPI on skeletal muscle cells, we treated C2C12 cells with GPI recombinant protein. [Results] We found that GPI improved the viability of C2C12 cells. In the in vivo study, the exercise-treated mice group showed upregulated GPI expression in skeletal muscle. Based on the in vitro study results, we speculated that expression level of GPI in skeletal muscle might be associated with muscle function. We analyzed the association between GPI expression level and the grip strength of the all mice group. The mice group's grip strengths were upregulated after 2 weeks of treadmill exercise, and GPI expression level positively correlated with the grip strength. [Conclusion] These results suggested that the exercise-induced GPI expression in skeletal muscle might have a positive effect on skeletal muscle function.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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